Plasmakäyttö on kiinnostuneena tähtitieteilijöiden ja avaruusjärjestöjen keskuudessa. Koska se on erittäin edistyksellinen tekniikka, joka tarjoaa huomattavan polttoainetaloudellisuuden tavanomaisiin kemiallisiin raketteihin verrattuna, sitä käytetään tällä hetkellä kaikessa avaruusaluksista ja satelliiteista tutkimusmatkoihin. Ja tulevaisuuteen nähden virtaavaa plasmaa tutkitaan myös edistyneemmille propulsiokonsepteille samoin kuin magneettisesti rajoitetulle sulautumiselle.
Plasman työntövoiman yleinen ongelma on kuitenkin se, että se luottaa niin kutsuttuun neutraloijaan. Tämä instrumentti, jonka avulla avaruusalukset voivat pysyä varausneutraalina, on ylimääräinen virrankulutus. Onneksi ryhmä tutkijoita Yorkin yliopistosta ja École Polytechniquesta tutkii plasmapotkurin rakennetta, joka poistaisi kokonaan neutraloijan.
Tutkimustuloksia yksityiskohtaisesti käsittelevä tutkimus nimeltään ”Radiotaajuus sähkökenttien kiihdyttämien virtaavien plasmien siirtymävaiheen dynamiikka” julkaistiin aiemmin tässä kuussa Plasmien fysiikka - amerikkalaisen fysiikan instituutin julkaiseman lehden. Yliopiston York Plasma -instituutin fysiikan tohtori Dr. James Dendrickin johdolla esitellään konsepti itsesääntelevästä plasmapotkurista.
Pohjimmiltaan plasmakäyttöjärjestelmät luottavat sähkövoimaan ponnekaasun ionisoimiseksi ja sen muuttamiseksi plasmaksi (ts. Negatiivisesti varautuneiksi elektroniksi ja positiivisesti varautuneiksi ioneiksi). Nämä ionit ja elektronit kiihdytetään sitten moottorin suuttimilla työntövoiman tuottamiseksi ja avaruusaluksen liikuttamiseksi. Esimerkkejä ovat ruudukko-ioni- ja Hall-efektipotkuri, jotka molemmat ovat vakiintuneita kuljetustekniikoita.
Gridden-ion-potkuri testattiin ensimmäisen kerran 1960-70-luvuilla osana Space Electric Rocket Test (SERT) -ohjelmaa. Siitä lähtien NASA on käyttänyt sitä valjeta , joka tutkii parhaillaan Ceresiä pääasteroidivyöllä. Ja tulevaisuudessa ESA ja JAXA aikovat käyttää ruudukkoisia potkureita työntääkseen BepiColombo-tehtävänsä elohopeaan.
Samoin sekä NASA että Neuvostoliiton avaruusohjelmat ovat tutkineet Hall-efektipotkureita 1960-luvulta lähtien. Niitä käytettiin ensin osana ESA: n pieniä tehtäviä edistyneelle teknologian tutkimiseen teknologiassa 1 (SMART-1). Tämä vuonna 2003 alkanut ja kuukauden pintaan murtunut kuun pinta-operaatio oli ensimmäinen ESA-operaatio, joka meni kuuhun.
Kuten huomautettiin, kaikki nämä potkurit käyttävät avaruusalukset tarvitsevat neutralisoijan varmistaakseen, että ne pysyvät ”varausneutraalina”. Tämä on välttämätöntä, koska tavanomaiset plasmapotkurit tuottavat positiivisemmin varautuneita hiukkasia kuin ne, jotka ovat negatiivisesti varautuneita. Sellaisenaan neutraloijat injektoivat elektronia (joissa on negatiivinen varaus) positiivisen ja negatiivisen ionin välisen tasapainon ylläpitämiseksi.
Kuten saatat epäillä, nämä elektronit syntyvät avaruusaluksen sähkövoimajärjestelmistä, mikä tarkoittaa, että neutraloija on ylimääräinen virrankulutus. Tämän komponentin lisääminen tarkoittaa myös sitä, että itse käyttövoimajärjestelmän on oltava suurempi ja raskaampi. York / École Polytechnique -ryhmä ehdotti tämän ratkaisemiseksi plasmapotkurin mallia, joka voi pysyä varausneutraalina yksinään..
Neptune-moottorina tunnettu konsepti esiteltiin ensimmäisen kerran vuonna 2014, Dmytro Rafalskyi ja Ane Aanesland, kaksi tutkijaa École Polytechnique's Plasma Physics (LPP) -laboratoriosta ja avustajat viimeaikaisessa lehdessä. Kuten he osoittivat, konsepti perustuu tekniikkaan, jota käytetään hila-ionipotkurien luomiseen, mutta pystyy tuottamaan pakokaasuja, jotka sisältävät verrattavissa olevia määriä positiivisesti ja negatiivisesti varautuneita ioneja.
Kuten he selittävät tutkimuksensa aikana:
”Sen suunnittelu perustuu plasmakiihdytyksen periaatteeseen, jossa ionien ja elektronien samanaikainen erottaminen saavutetaan kohdistamalla värähtelevää sähkökenttää ruudukkoiseen kiihtyvyysoptiikkaan. Perinteisissä ruudukkoitettujen ionien ohjaimissa ionejä kiihdytetään osoitetulla jännitelähteellä tasavirran (dc) sähkökentän kohdistamiseksi uuttoverkkojen väliin. Tässä työssä muodostuu tasavirtakäynnistysjännite, kun radiotaajuinen (rf) teho kytketään uuttoverkkoihin plasman kanssa kosketuksessa olevien jännitteisten ja maadoitettujen pintojen pinta-alan erojen vuoksi. "
Lyhyesti sanottuna, ohjainlaite luo pakokaasun, joka on tehokkaasti varausneutraali radioaaltojen avulla. Tällä on sama vaikutus, kun sähkökenttä lisätään työntövoimaan, ja poistaa tehokkaasti neutraloijan tarpeen. Kuten heidän tutkimuksessaan löydettiin, Neptunuksen potkuri pystyy myös tuottamaan työntövoiman, joka on verrattavissa tavanomaiseen ionipuristimeen.
Edistääkseen tekniikkaa entisestään, he ryhtyivät James Dedrickin ja Andrew Gibsonin kanssa York Plasma -instituutista tutkimaan, kuinka potkuri toimisi eri olosuhteissa. Kun Dedrick ja Gibson olivat aluksella, he alkoivat tutkia kuinka plasmapalkki voi olla vuorovaikutuksessa avaruuden kanssa ja vaikuttaako tämä sen tasapainoiseen varaukseen.
He löysivät, että moottorin pakokaasuvalolla oli suuri rooli säteen pitämisessä neutraalina, missä elektronien eteneminen sen jälkeen kun ne on johdettu poistoverkkoihin, kompensoi tilan varauksen plasmakeilassa. Kuten he toteavat tutkimuksessaan:
”[P] on erotettu optisella emissio -spektroskopialla yhdessä sähköisten mittausten kanssa (ionien ja elektronien energian jakautumistoiminnot, ionien ja elektronien virrat ja säteen potentiaali) tutkimaan energisten elektronien ohimenevää etenemistä virtaavassa plasmassa, jonka tuottaa rf itse-bias-ohjattu plasmapotkuri. Tulokset viittaavat siihen, että elektronien eteneminen vaipan romahtamisjakson aikana uuttoverkoissa kompensoi tilavarauksen plasmakeilassa. "
He korostavat luonnollisesti myös sitä, että tarvitaan lisätestausta ennen kuin Neptunuksen potkuria voidaan käyttää. Tulokset ovat kuitenkin rohkaisevia, koska ne tarjoavat kevyempiä ja pienempiä ioninpuristimia, mikä mahdollistaisi entistä kompaktempien ja energiatehokkaampien avaruusalusten. Avaruusalan toimistoille, jotka haluavat tutustua aurinkokuntaan (ja sen ulkopuolelle) budjetilla, tällainen tekniikka ei ole mitään, ellei toivottavaa!
